JP5405131B2

JP5405131B2 - 摺動性被膜の形成方法

Info

Publication number: JP5405131B2
Application number: JP2009006622A
Authority: JP
Inventors: 慶明松原; 勝柳本
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-01-15
Also published as: JP2009209449A

Description

本発明は、すべり軸受や転がり軸受などの摺動部材の摺動面に形成される摺動性被膜に関するものであり、より詳細には、ショットピーニング法により軟質金属Ａからなる相にその軟質金属ＡとＡ以外の金属Ｂの合金からなる相が分散された摺動性被膜の形成方法に関する。

摺動部の潤滑は油などの液体潤滑剤を使用して行われることが多いが、設計上の理由により液体潤滑剤を使用することができない場合や、真空中において使用されるなどのように使用環境における制約がある場合、固体潤滑剤が用いられる。また、近年、エネルギー問題への社会的要請が高まるにつれて、自動車用のエンジンやトランスミッションに使用される摺動部材のさらなる摩擦低減が求められている。

そのため摺動部に使用される液体潤滑材の摩擦抵抗を低減するために粘性の低いものが使用される傾向にあり、摺動部における潤滑材の厚みが薄くなり、摺動部材同士が接触する可能性のある境界潤滑環境で使用される軸受が増加しているため、境界潤滑環境下でも高い摺動性を持った部材の開発が必要とされており、固体潤滑剤で摺動部を被覆することが行われている。

この摺動部材への固体潤滑剤の被覆方法として、特開２００２−１６１３７１号公報（特許文献１）、特開２００７−１００５９号公報（特許技術２）にあげられるように、亜鉛や錫などの軟質金属粉末と二硫化モリブデンといった固体潤滑剤粉末の混合粉末や、軟質金属粉末もしくは固体潤滑剤粉末単体をショットピーニングする成膜技術が開示されている。特許文献１においては、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤粉末が軟質金属中に分散した被膜を形成することで、従来、密着強度が低かった固体潤滑剤単体の被膜の密着性を改善しているため、固体潤滑剤の潤滑性を保ったまま、耐久性の高い被膜を形成できるとしている。

また、特許文献２においては、摺動面に形成する被膜の被覆面積、厚み、表面粗さを制御することで摩擦係数が小さく、優れた摺動性能を有する摺動部材ができるとしている。また、［トライボロジー会議２００７年春予稿集第１２３〜１２４頁「固体潤滑剤ショットコーティングによる転がり軸受の長寿命化」］（非特許文献１）にあげられるように、錫もしくは亜鉛の軟質金属粉末を摺動部材にショットピーニングし、軟質金属被膜を形成することで摺動部材の摩擦係数を低減させる技術が開示されている。
特開２００２−１６１３７１号公報特開２００７−１００５９号公報［トライボロジー会議２００７年春予稿集第１２３〜１２４頁「固体潤滑剤ショットコーティングによる転がり軸受の長寿命化」］

しかしながら、上述した特許文献１に記載の技術では、錫や鉛などの軟質金属粉末と二硫化モリブデンや黒鉛などの固体潤滑剤の粒体を均質に混合することは互いの密度が大きく異なるため非常に困難で、摺動面に均質に固体潤滑剤が分散された被膜を得ることが難しく、十分な摺動性が得られない場合がある。また特許文献２、非特許文献１に記載の技術では、摺動面の固体潤滑被膜が強度が低い錫や亜鉛などの軟質金属であるため密着性、耐摩耗性が低く、長時間の使用に膜が耐えられない可能性がある。そこで、本発明は境界潤滑環境下などの過酷な潤滑環境下でも摺動性と耐摩耗性を両立した均質な摺動被膜を作製することを目的とした。

上述したような問題を解決するために、発明者らは鋭意開発を進めた結果、錫もしくは亜鉛の軟質金属中にその軟質金属と他の金属の合金が分散した２相からなる合金粉末に着目し、これをショットピーニングすることにより、主に摺動性を担う軟質金属中に、摺動性を担う軟質金属Ａからなる相中に、初期なじみ時の耐摩耗性を担う軟質金属とその他の金属の合金相が微細に分散した膜を摺動部材の表面に形成できることを見出した。

その発明の要旨とするところは、
（１）軟質金属Ａからなる相と、その軟質金属Ａ及びＡ以外の金属Ｂの合金または金属間化合物からなる相の２相からなる粉末を、ショットピーニングによって被処理成品の摺動部に摺動性被膜を成膜することを特徴とする摺動性被膜の形成方法。
（２）前記（１）に記載の摺動性被膜は軟質金属Ａと、Ａ以外の金属Ｂからなり、軟質金属Ａからなる相と軟質金属Ａ及び金属Ｂからなる常温安定相Ａ_mＢ_n（ｍ、ｎは常温での安定相を構成する合金または金属間化合物による固有の数値）の２相を有する合金であることを特徴とする摺動性被膜の形成方法。

（３）前記（１）または（２）に記載の摺動性被膜において、軟質金属Ａからなる相に軟質金属ＡとＡ以外の金属Ｂからなるの合金相または金属間化合物相が分散されていることを特徴とする摺動性被膜の形成方法。
（４）前記（１）〜（３）のいずれか１に記載の摺動性被膜において軟質金属Ａからなる相よりも軟質金属ＡとＡ以外の金属Ｂからなるの合金相が硬いことを特徴とする摺動性被膜の形成方法にある。

上記のように、本発明は、軟質金属Ａからなる相とその軟質金属ＡとＡ以外の金属Ｂの合金からなる相の２相からなる粉末をショットピーニングし、摺動性を担う軟質金属Ａからなる相中に、初期なじみ時の耐摩耗性を担う軟質金属ＡとＡ以外の金属Ｂの合金からなる相が微細に分散した膜を摺動部材表面に形成することで、摺動部材の寿命の向上を図ることができる。

軟質金属Ａは錫、亜鉛、鉛、銀、ビスマス、インジウムがあげられる。もっとも、材料コストの観点から銀、ビスマス、インジウムが不利であり、環境の観点から鉛をさける方が望ましい。これらを考慮するならば、本発明においては、軟質金属として錫、亜鉛を用いることが特に望ましい。また、その他の金属Ｂとしては、軟質金属Ａとの間で合金（金属間化合物を含む）ＡＢを形成し、かつ常温で軟質金属Ａからなる相と、合金ＡＢからなる相の２相に分離する相を形成する元素であれば良い。なぜなら、一般に合金は純金属より硬いので軟質金属Ａからなる相と合金ＡＢからなる相が共存することで、軟質金属Ａによる摺動性と合金ＡＢによる耐摩耗性により、摺動部の長時間の良好な使用が可能となるためである。

なお、その他の金属の例としては、遷移金属がよく、コスト等から考えるに、鉄、コバルト、ニッケル、銅、マンガンなどがあげられる。なお、これらは被膜を形成する摺動面の相手材に対して「とも材」とならない金属を選ぶことが特に望ましい。「とも材」とは、摺動面の相手材と合金を形成するため、摺動時の瞬間的な接触による熱などで相手材との凝着をおこす材料のことである。一例をあげると、相手材が軸受用鋼の場合、鋼と「とも材」にならない銅を選ぶことで、摺動性被膜と相手材の凝着を防ぐことができる。反対に、相手材が軸受用鋼の場合、ニッケルを選択すると、ＦｅＮｉ₃合金相が形成されるため「とも材」となり、凝着し、摩擦係数が高くなる可能性がある。

以下、本発明の実施の形態について本発明の一例であるＳｎ−Ｃｕ系合金を基にして詳細に説明する。
図１は、Ｓｎ−Ｃｕ２元状態図である。図１より軟質金属であるＳｎ相とその軟質金属とＳｎ以外の金属であるＣｕとの合金Ｃｕ₆Ｓｎ₅からなる相の２相組成はＳｎが６１質量％以上でえられるが、このうち摺動被膜としてはＳｎ：６５〜９５質量％であることが望ましい。Ｓｎ：６１〜６５質量％未満ではＣｕ₆Ｓｎ₅が摺動部に形成した被膜全体の９０質量％以上を占めるため、初期なじみ性、摺動性を担うＳｎ相の量が不十分であるとともに、Ｓｎ相はショットピーニングにて被膜を形成する際に主に変形して摺動面に固着する効果を担うため、被膜の形成が困難となる。また、Ｓｎ：９５超え〜１００質量％ではＣｕ₆Ｓｎ₅が摺動部に形成した被膜全体の１０質量％以下となるため、密着性、耐摩耗性の向上が見られない。

上述した組成の合金粉末の形成方法としては、例えば鋳造材の粉砕、ガスや水などによるアトマイズ、水中紡糸法による線材の切断や粉砕、液体急冷による薄帯の粉砕などがあげられる。なお、合金粉末中のＳｎとＣｕ₆Ｓｎ₅の２相組織が後述するショットピーニングによってそのまま被膜組織になるため、急冷微細組織が望ましいこと、また、ショットピーニング時の粉末の流動性を高めるために球状粉である必要があることから、ガスアトマイズ等急冷凝固プロセスで、球状粉末を作製できるプロセスが望ましい。

急冷凝固によって作製された粉末は軟質金属であるＳｎの母相中に、微細なＣｕ₆Ｓｎ₅の樹枝状組織が形成される。樹枝状組織の大きさ、および樹枝間の間隔は１０μｍ以下が望ましく、より望ましくは５μｍ以下である。これは、後述する被膜の厚みに対して、充分微細な組織を得るためである。なお、この問題はアトマイズ条件をより急冷に適した条件にすることや、急冷されやすい微粉末を分級して得ることにより調整できる。

上記２相合金粉末を、ショットピーニング法により摺動部材表面に成膜する。他の固体潤滑被膜の形成方法としては、例えば、塗布、焼成、溶射、スパッタリング、メッキ等が考えられるが、ショットピーニング法は、粉末を高速で摺動部材に衝突させることで被膜を形成するため、短時間で密着性が高い被膜を得ることができ、また摺動部材を加熱する必要がなく、環境に負荷をあたえるガスや溶液を使用しないため、摺動性被膜を形成する方法として好適である。

得られた被膜組織は上述の通り、粉末組織を反映した組織となる。５μｍ以下の軟質金属であるＳｎ相と合金のＣｕ₆Ｓｎ₅相が微細に分散した被膜が形成されることにより、摺動の際に軟質金属であるＳｎが摩擦抵抗を下げる働きを行うとともに、Ｃｕ₆Ｓｎ₅相が摺動部材同士のミクロな接触が発生しやすい初期なじみ時にＳｎが剥離することを防ぐ働きをする。このことにより、摺動被膜の耐久性向上が図れるため、摺動部材の寿命が向上する。

本発明において、良好な摺動性と耐摩耗性が得られる被膜の厚みは０．２μｍ〜１０．０μｍである。０．２μｍ未満では良好な摺動性がえられなくなり、一方、１０．０μｍを超えると、摺動部材として必要な強度が得られなくなる。

本発明において、摺動部材とは、相手部材と相対的にすべり接触する摺動面を有する部材を言う。このように摺動部材の具体例としては、円筒面、球面、平面等において接触運動を行う機械部品であって、例えば、自動車のエンジンを構成するカムおよびカムフォロア、ピストンリング、燃料噴射装置、フリクションプレート、クラック部品やすべり軸受を構成するすべり部材や転がり軸受やすべり軸受用のリテーナ等が上げられる。

さらに、摺動部材をなす素材としては、例えば、高炭素クロム軸受鋼等の軸受鋼やＳＣＭ４２０、ＳＣＲ４２０等の肌焼鋼やＳＵＳ４４０等のステンレス鋼に、焼入れおよび焼戻し処理を施したものや、浸炭または浸炭窒化処理と焼入れおよび焼戻し処理とを施したもの等が挙げられる。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
本実施例にあっては、摺動性粉末として、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ｎｉ系合金粉末を選択した。図２にＺｎ−Ｎｉ系２元合金の状態図を示す。また、潤滑性被膜を形成する摺動部材として、一般的な軸受に使用される軸受鋼ＳＵＪ２を用いた。金属間化合物となる軸受鋼ＳＵＪ２とは「とも材」とならないため、凝着による焼き付きを防ぐ効果をもつ。

摺動性を評価するため、図３に示すように、軸受鋼ＳＵＪ２のファレックス試験用のピン（φ６．５ｍｍ×４０ｍｍ）とＶブロックを作製した。すなわち、図３は、本発明の効果を確認したファレックス試験の概略図である。この図３に示すように、試験用のピン１およびＶブロック２は素材を所定形状に加工した後、焼入れ、焼戻しを行い作製した。試験用のピン１を３００ｒｐｍにて回転させる。この試験用のピン１、Ｖブロック２の摺動面には、Ｓｎ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ｎｉ系合金の摺動性粉末により被膜を形成する前処理として、ショットピーニング装置を用いて、噴射圧力０．６ＭＰａ、噴射時間６０秒の条件下でショット材として粒径４５〜１２５μｍの鋼球（粉末ハイス鋼ＳＫＨ５１）を大気中で加速して噴射することにより、摺動表面に微小な凹凸を形成する処理を行った。なお、符号３はシア−ピンを示す。

表１に示す各種組成のＳｎ−Ｃｕ系合金、Ｚｎ−Ｎｉ系合金粉末をＡｒガスアトマイズで製造した。製造した粉末が、金属間化合物が微細に分散した組織となったことを走査電子顕微鏡にて確認した後、粒度１０５〜３８μｍに分級し、分級後の粉末をショットピーニング法を用いて前記摺動部材の摺動表面に噴射圧力０．６ＭＰａ、噴射時間は２０分の条件下でショットピーニングすることにより、潤滑性被膜を形成した。

形成した被膜の膜厚は、前記ピンと同形状の破壊用試験片を用いて以下の方法で測定した。まず、試験片の摺動面に相当する部位を切断し、その断面をバフ研磨で鏡面仕上げした後、走査電子顕微鏡にて観察を行った。観察は１０００倍で５視野分行い、その平均を求めた。

上述のようにして得られたファレックス試験用のピンとＶブロックを図３のようにセットし、荷重をかけながらピンを回転させ焼き付きまでの時間を測定することで、摺動性被膜の摩擦特性を評価した（表１）。以下に実験条件を示す。
［ファレックス試験条件］
荷重：２６４８Ｎ（２７０ｋｇｆ）
回転数：３００ｒｐｍ
周速：０．１ｍ／ｓ
試験温度：室温
潤滑油：タービン油ＶＧ６８

比較例としてあげた、Ｎｏ．１１の摺動性被膜処理なしの条件と比較すると、公知の技術の通り、摺動膜を形成した全ての条件で焼き付までの時間が長く、良好な摺動性を示した。

備考欄に示した◎、○、△はそれぞれ従来材である純Ｓｎ、純Ｚｎと比較した結果を示す。純Ｓｎ、純Ｚｎと比較すると比較例であるＮｏ．６のＳｎ：Ｃｕ＝６０：４０の組成を除く、すべての組成で焼き付きまでの時間が長くなった。特にＮｏ，３、４の組成において１５秒以上の大きな増加が見られ、本発明の効果により、従来よりもさらに寿命を向上させる効果があることが確認できた。

以上のように、錫などの軟質金属とその金属間化合物を含んだ膜をショットピーニング等を用いて形成させることにより、形成された膜には軟質金属より硬く、基材となる軸受などより柔らかい金属間化合物が含まれ、この形成された膜においては軟質金属が潤滑性、初期なじみ性を狙い、金属化合物が耐摩耗性を狙うことで摺動性能が高く、耐久性がある被膜ができ、摺動部材の寿命の向上を図ることができる。

本発明の一例であるＳｎ−Ｃｕ合金の２元状態図である。本発明の一例であるＺｎ−Ｎｉ合金の２元状態図である。本発明の効果を確認したファレックス試験の概略図である。本発明の一例であるＳｎ−Ｃｕ合金の摺動性被膜の断面電子顕微鏡写真である。

１試験用のピン
２Ｖブロック
３シアーピン

特許出願人山陽特殊製鋼株式会社
代理人弁理士椎名彊

Claims

軟質金属Ａからなる相と、その軟質金属Ａ及びＡ以外の金属Ｂの合金または金属間化合物からなる相の２相からなる粉末を、ショットピーニングによって被処理成品の摺動部に摺動性被膜を成膜することを特徴とする摺動性被膜の形成方法。
請求項１に記載の摺動性被膜は軟質金属ＡとＡ以外の金属Ｂからなり、軟質金属Ａからなる相と、軟質金属Ａ及び金属Ｂからなる常温安定相Ａ_mＢ_n（ｍ、ｎは常温での安定相を構成する合金または金属間化合物による固有の数値）の２相を有する合金であることを特徴とする摺動性被膜の形成方法。
請求項１または２項に記載の摺動性被膜において、軟質金属Ａからなる相に軟質金属ＡとＡ以外の金属Ｂからなる合金相または金属間化合物相が分散されていることを特徴とする摺動性被膜の形成方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の摺動性被膜において軟質金属Ａからなる相よりも軟質金属ＡとＡ以外の金属Ｂからなる合金相が硬いことを特徴とする摺動性被膜の形成方法。